CN203519116U - 基于dsp的油量传感器测控系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于DSP的油量传感器测控系统，其包括下位机DSP系统板、上位PC机人机界面、驱动电路、汽车油箱工况模拟装置、油量传感器、调理电路和汽车油量仪表；所述上位PC机人机界面与下位机DSP系统板通过串口进行双向通信连接；所述下位机DSP系统板通过所述驱动电路连接驱动所述汽车油箱工况模拟装置；所述油量传感器一端联接所述汽车油箱工况模拟装置，另一端分别连接测量端口、汽车油量仪表并通过调理电路实时反馈连接下位机DSP系统板。本实用新型结构设计简单、合理，人机界面友好，测试直观且标定精确，灵活的模块化设计及插拔连接，能方便实际应用，也可作为很好的毕业设计和课余电子设计应用的实践平台。

Description

基于DSP的油量传感器测控系统

技术领域

本实用新型涉及油量传感器，尤其涉及一种基于DSP的油量传感器测控系统。 

背景技术

油量传感器用来检测燃油油量，并送往汽车仪表使驾驶员及时了解油量信息，它是汽车上必备的基本传感器之一，一般有浮子式、电热式和电容式三种。其中浮子可变电阻式油量传感器由于工作可靠、原理简单、工艺成熟而在汽车油箱获得了广泛的应用。 

目前市场上缺乏合适的油量传感器的测控系统，为此我们之前一直以简易的实验器材来模拟或开发实验。譬如“油量传感器”实验，只能把传感器浮子臂手动旋转后大致观测电阻输出特性，没有标定对象平台，更无法认识传感器的灵敏度、线性度、重复度等特性。同时，现有关于油量传感器的测控系统不仅结构设计比较麻烦、难度大，而且对汽车油量信息相关测试和标定存在测试不够直观以及标定不方便、不够精确等，成本也相对较高。因此，如何设计一个合适的油量传感器的测控系统，成本更低且能满足直观、方便、精确的对汽车油量信息进行相关测试和标定一直是该技术领域技术人员研究的重要课题。 

上述可知，有必要对现有技术进一步改进。 

发明内容

本实用新型是为了解决现有汽车油量信息相关测试和标定存在测试不够直观以及标定不方便、不够精确的问题而提出一种结构设计简单、合理，人机界面友好，测试直观且标定精确，能方便实际应用且成本低的基于DSP的油量传感器测控系统。 

本实用新型是通过以下技术方案实现的： 

上述的基于DSP的油量传感器测控系统，包括下位机DSP系统板及与所述下位机DSP系统板连接的上位PC机人机界面；所述测控系统还包括驱动电路、汽车油箱工况模拟装置、油量传感器、调理电路和汽车油量仪表；所述油量传感器的一端还设有测量端口；所述上位PC机人机界面与下位机DSP系统板通过串口进行双向通信连接；所述下位机DSP系统板通过所述驱动电路连接驱动所述汽车油箱工况模拟装置；所述油量传感器一端联接所述汽车油箱工况模拟装置，另一端分别连接所述下位机DSP系统板、测量端口及汽车油量仪表；所述油量传感器是通过所述调理电路实时反馈连接所述下位机DSP系统板。

所述基于DSP的油量传感器测控系统，其中：所述上位PC机人机界面接受所述下位机DSP系统板传来的油量测量数据后同步进行显示，并同时设定操作者所期望的油量发送给所述下位机DSP系统板；所述油量传感器在反馈送给所述下位机DSP系统板后实时测量当前实际油量；所述实际油量与所述上位PC机人机界面的设定油量比较并经过软件控制算法，发出相应PWM波形经所述驱动电路驱动所述汽车油箱工况模拟装置，使所述设定油量和所述实际油量趋向一致；所述油量传感器的当前参数值可实时通过所述测量端口用万用表测量，并结合所述汽车油量仪表以及所述上位PC机人机界面的虚拟油量表进行多位一体显示。 

所述基于DSP的油量传感器测控系统，其中：所述调理电路由电阻R31、运算放大器U2和电容C31组成；所述电阻R31一端通过YL-IN端子匹配插接所述油量传感器，另一端与所述运算放大器U2的同相输入端连接；所述运算放大器U2的反相输入端连接至运算放大器U2的输出端；所述运算放大器U2的输出端连接至下位机DSP系统板的ADCIN13引脚；所述电容C31并联于所述下位机DSP系统板的ADCIN13引脚，即一端连接所述下位机DSP系统板的ADCIN13引脚，另一端接地。 

所述基于DSP的油量传感器测控系统，其中：所述汽车油箱工况模拟装置包括油量舵机；所述驱动电路由电阻R111、电阻R112、电阻R113、光耦U11和三极管Q11组成；所述三极管Q11的基极通过所述电阻R111连接至所述下位机DSP系统板的IOPE1引脚，集电极通过所述电阻R112连接5V电源，发射极接地；所述光耦U11的阳极连接所述三极管Q11的集电极，所述光耦U11的阴极连接三极管Q11发射极，所述光耦U11的集电极连接另一个5V电源，所述光耦U11发射极通过YL-OUT端子与所述油量舵机匹配插接；所述电阻R113一端连接至所述光耦U11的发射极，另一端接地。 

有益效果： 

本实用新型基于DSP的油量传感器测控系统结构设计简单、合理，人机界面友好，操作简单方便，车油量信息相关测试和标定方便、精确，利用真实的汽车仪表及虚拟仪表技术，为油量传感器的标定、参数测量提高了方便直观的系统平台；同时，灵活的模块化设计及插拔连接，能方便实际应用且成本也相对较低，可作为很好的毕业设计和课余电子设计应用的实践平台。

附图说明

图1为本实用新型基于DSP的油量传感器测控系统的结构原理图； 

图2为本实用新型基于DSP的油量传感器测控系统的测控流程图；

图3为本实用新型基于DSP的油量传感器测控系统的控制电路结构图。

具体实施方式

如图1至3所示，本实用新型基于DSP的油量传感器测控系统，包括汽车油箱工况模拟装置1、油量传感器2、汽车油量仪表3、调理电路4、上位PC机人机界面5、下位机DSP系统板6和驱动电路7。其中，汽车油箱工况模拟装置1包括有油量舵机11；油量传感器2一端设有测量端口。 

上位PC机人机界面5与下位机DSP系统板6通过串口进行双向通信连接，其中，上位PC机人机界面5接受下位机DSP系统板6传来的油量测量数据后同步进行显示，同时设定操作者所期望的油量并发送给下位机DSP系统板6； 

油量传感器2通过调理电路4实时反馈送给下位机DSP系统板6后实时测量当前实际油量，与上位PC机人机界面5的设定油量比较后，经过软件控制算法，发出相应PWM波形经驱动电路7驱动汽车油箱工况模拟装置1，使设定油量和实际油量趋向一致；当前油量传感器2的参数值，可实时通过测量端口用万用表8测量并结合汽车油量仪表3以及上位PC机人机界面5的虚拟油量表进行多位一体显示。

调理电路4连接于下位机DSP系统板6和油量传感器2之间，其由电阻R31、运算放大器U2和电容C31组成；电阻R31一端通过YL-IN端子与油量传感器2匹配插接，另一端与运算放大器U2的同相输入端连接；运算放大器U2的反相输入端连接至运算放大器U2的输出端；运算放大器U2的输出端连接至下位机DSP系统板6的ADCIN13引脚；电容C31并联于下位机DSP系统板6的ADCIN13引脚，即一端连接下位机DSP系统板6的ADCIN13引脚，另一端接地。 

调理电路4中油量传感器2的信号作为一个跟油量相关的电阻信号接入汽车油量仪表3的B3端进行油量测量、显示；同时跟油量相关的电阻信号接入汽车油量仪表3后获得一个跟油量相关的电压信号，该电压信号通过电阻R31经YL-IN插接端子送往下位机DSP系统板6采集，作为下位机DSP系统板6换算当前油量传感器2油量测量的依据。由于受下位机DSP系统板6的供电电压3.3 V限制，下位机DSP系统板6的内部AD模块参考电压为3.3 V，所以该电阻R31接入的电压信号需要在0-3.3 V之内，否则要进行比例缩放后才能送入下位机DSP系统板6的内部AD。 

如表1所示，当油量最高为95时，测得的电压为2.257V，在AD口电压允许范围之内。所以输出电压经过匹配限流电阻R31通过运算放大器U2接一电压跟随器电路进行1:1的比例跟随。利用运放的阻抗匹配特性即输入阻抗大、输出阻抗小的特点，能避免外接电路对仪表内部传感器调理电路的影响，以免引进测量误差。ADCIN13引脚处并联一个0.1uf的小电容，起到滤除干扰杂波的作用。 

驱动电路7连接于汽车油箱工况模拟装置1的油量舵机11和下位机DSP系统板6之间，其由电阻R111、电阻R112、电阻R113、光耦U11和三极管Q11组成，其中，三极管Q11的基极通过电阻R111连接至下位机DSP系统板6的IOPE1(PWM7)引脚，集电极通过电阻R112连接5V电源，发射极接地；光耦U11的阳极连接三极管Q11的集电极，光耦U11的阴极连接三极管Q11发射极，光耦U11的集电极连接另一个5V电源，光耦U11的发射极通过YL-OUT插接端子与油量舵机11匹配插接；电阻R113一端连接至开关光耦U11发射极，另一端接地。本实施例中光耦U11为4N25型开关光耦。 

汽车油箱工况模拟装置1的油量舵机11选用体积小巧、性价比高的MG90S型油量舵机，该油量舵机11在5V供电下扭矩达2.4 kg·cm，满足负载驱动要求；浮子臂转动角度约90°，油量舵机11转动角度为180°，二者中心点安装重合，安装时浮子臂45°对应油量舵机11的摇臂90°附近，这样确保油量舵机11驱动浮子臂时无死区。 

实时测量油量和设定油量比较后，利用下位机DSP系统板6控制算法后经过IOPE1(PWM7)引脚实时生成相应的PWM波形以驱动油量舵机11。PWM波形首先经三极管Q11电路进行反相驱动后，送往光耦U11进行隔离驱动，再送给油量舵机11的控制信号线。光耦U11隔离可以避免油量舵机11伺服反馈控制中的波动信号对下位机DSP系统板6的影响。其中，电阻R111和电阻R112为三极管Q11限流及匹配电阻，以确保三极管Q11工作在饱和导通与截止状态。电阻R112同时也为光耦U11输入端的限流匹配电阻，确保光耦U11的输入电流驱动发光二极管在额定发光区间内；电阻R113为光耦U11的输出端匹配电阻，取值较大以确保光敏晶体管导通时工作在饱和状态，同时电阻R113也充当油量舵机11控制端的下拉电阻，以避免悬浮电平对油量舵机11的误动作。 

其中，油量舵机11的PWM周期 20 ms，脉宽范围0.5 ms-2.5 ms，分别对应0°到180°的位置。时基选用定时器T3，定时器时钟周期为3.2 us，则PWM周期寄存器T3PER赋值： 

        (1)

0.5 ms-2.5 ms间有2 ms间隔，对应油量舵机11的180°间隔，即有对应关系：1 ms→90°；1 ms内定时器脉冲个数为1 ms/3.2 us=312.5，即312.5个→90°，进一步得到3.472个←1°，或1个→0.288°。同时得到DSP的PWM比较寄存器CMPR4值与油量舵机11角度αd对应关系：

    (2)

表1 油量传感器标定测量值

在实验台架上通过凑试法确定汽车油量仪表3值H与对应的油量舵机11占空比间的关系，而油量舵机11占空比即由CMPR4唯一确定。同时在稳态时确定油量H与传感器信号电压V之间的标定关系。测量数据如表2所示。

用最小二乘法原理，由3次多项式拟合得H-V的关系式： 

  (3)

以及CMPR4-H间的关系式：

   (4)

如图2所示，本实用新型基于DSP的油量传感器测控系统的测控过程：

首先，下位机DSP系统板6接受上位PC机人机界面5发送来的设定油量，并检测油量传感器2初始电压V0，由公式(3)换算得到初始油量H0，由公式(4)换算得到初始占空比CMPR40，从而输出相应PWM波形到油量舵机11控制信号线。再由设定油量Rx_H经公式(4)换算得到油量舵机11设定占空比Set_CMPR4，由上述初始占空比CMPR40的基础上开环调节，逐个逼近Set_CMPR4，步进精度为0.288°。油量舵机11到达设定占空比Set_CMPR4后，由公式(3)根据当前传感器信号电压V换算当前油量H，并与设定油量Rx_H比较，如果超过误差区间则以步进精度为0.288°进行闭环微调直至调整至稳态。到达稳态后，油量舵机11内部会为克服浮子力矩而动态调整，为避免长时间调整中油量舵机11发热损坏，程序会延时1分钟后赋予一个0占空比而释放油量舵机11力矩，若实验者没有完成当前稳态结果记录，系统静摩擦力一般会保持浮子臂在当前位置不变，若不足以克服浮子臂重力矩，由流程图2可知，程序会自动反馈调整。稳态后记录下当前实验结果参数，可以如上重复继续下一个设定值的测量。

本实用新型结构设计简单、合理，人机界面友好，利用真实的汽车仪表及虚拟仪表技术，使油量传感器的标定、参数测量更加方便直观；其中，灵活的模块化设计及插拔连接，能方便实际应用，同时也是很好的毕业设计和课余电子设计应用的实践平台。 

Claims (4)

1.一种基于DSP的油量传感器测控系统，包括下位机DSP系统板及与所述下位机DSP系统板连接的上位PC机人机界面；其特征在于：所述测控系统还包括驱动电路、汽车油箱工况模拟装置、油量传感器、调理电路和汽车油量仪表；所述油量传感器的一端还设有测量端口；

所述上位PC机人机界面与下位机DSP系统板通过串口进行双向通信连接；

所述下位机DSP系统板通过所述驱动电路连接驱动所述汽车油箱工况模拟装置；

所述油量传感器一端联接所述汽车油箱工况模拟装置，另一端分别连接所述下位机DSP系统板、测量端口及汽车油量仪表；所述油量传感器是通过所述调理电路实时反馈连接所述下位机DSP系统板。

2.如权利要求1所述的基于DSP的油量传感器测控系统，其特征在于：所述上位PC机人机界面接受所述下位机DSP系统板传来的油量测量数据后同步进行显示，并同时设定操作者所期望的油量发送给所述下位机DSP系统板；

所述油量传感器在反馈送给所述下位机DSP系统板后实时测量当前实际油量；所述实际油量与所述上位PC机人机界面的设定油量比较并经过软件控制算法，发出相应PWM波形经所述驱动电路驱动所述汽车油箱工况模拟装置，使所述设定油量和所述实际油量趋向一致；

所述油量传感器的当前参数值可实时通过所述测量端口用万用表测量，并结合所述汽车油量仪表以及所述上位PC机人机界面的虚拟油量表进行多位一体显示。

3.如权利要求1所述的基于DSP的油量传感器测控系统，其特征在于：所述调理电路由电阻R31、运算放大器U2和电容C31组成；

所述电阻R31一端通过YL-IN端子匹配插接所述油量传感器，另一端与所述运算放大器U2的同相输入端连接；

所述运算放大器U2的反相输入端连接至运算放大器U2的输出端；所述运算放大器U2的输出端连接至下位机DSP系统板的ADCIN13引脚；

所述电容C31并联于所述下位机DSP系统板的ADCIN13引脚，即一端连接所述下位机DSP系统板的ADCIN13引脚，另一端接地。

4.如权利要求1所述的基于DSP的油量传感器测控系统，其特征在于：所述汽车油箱工况模拟装置包括油量舵机；

所述驱动电路由电阻R111、电阻R112、电阻R113、光耦U11和三极管Q11组成；

所述三极管Q11的基极通过所述电阻R111连接至所述下位机DSP系统板的IOPE1引脚，集电极通过所述电阻R112连接5V电源，发射极接地；

所述光耦U11的阳极连接所述三极管Q11的集电极，所述光耦U11的阴极连接三极管Q11发射极，所述光耦U11的集电极连接另一个5V电源，所述光耦U11发射极通过YL-OUT端子与所述油量舵机匹配插接；

所述电阻R113一端连接至所述光耦U11的发射极，另一端接地。

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